仿生材料序benkesheng課件

仿生材料（BiomimeticMaterials）

C566

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材料開發(fā)的新思路天然可再生資源的利用,源源不絕、環(huán)境友好、低碳發(fā)展的概念多從自然界動(dòng)植物中尋求靈感從事綠色材料、仿生材料的研究預(yù)備知識(shí)：高分子材料成型原理、材料學(xué)及生物學(xué)的基本知識(shí)。課程學(xué)習(xí)目的與要求：本課程將在介紹自然界中生物的結(jié)構(gòu)、功能或行為過程等的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹近年來國(guó)內(nèi)外研究人員受生物啟發(fā)（Bio-inspired）或模仿生物（Biomimetic）的各種特性而開發(fā)的仿生材料及其研究進(jìn)展，使學(xué)生初步了解仿生材料領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的最新研究動(dòng)態(tài)及各種仿生材料的加工技術(shù)。

仿生材料（BiomimeticMaterials）

第一章緒論

第一節(jié)仿生學(xué)

蜘蛛絲的強(qiáng)韌性；蜻蜓出色的飛行本領(lǐng)；蒼蠅的多種特殊功能；孔雀、蝴蝶美麗的翅膀；夜間活動(dòng)型蛾（NightMoth）的眼蜂巢奇妙的構(gòu)造；蟑螂靈敏的感知能力；啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；墨魚的瞬間加速可以達(dá)到每小時(shí)20哩；蜂鳥飛行600哩旅程耗費(fèi)不到十分之一盎司的能量；荷花葉面有絕佳的抗污性(self-cleaningproperties)和撥水性(waterrepellent)；生物的骨骼構(gòu)造比鋼鐵強(qiáng)硬；………自然界生物的各種奇妙功能大象的奇妙行為大象是陸地上最大的動(dòng)物，現(xiàn)存的大象僅有非洲象和亞洲象。非洲象體型較大，最大的雄象約7噸重，雌雄象都長(zhǎng)有發(fā)達(dá)的象牙；亞洲象略小，最大的體重約5噸，只有雄象才長(zhǎng)有發(fā)達(dá)的象牙。大象是如何支撐其身體的重量的?大象的奇妙行為-怪異的步伐大象的奇妙行為大象的奇妙行為大象的溝通方式很復(fù)雜。同步前進(jìn)相隔很遠(yuǎn)的象群是怎樣進(jìn)行遙感溝通的?大象的奇妙行為

蜘蛛絲的強(qiáng)韌性；蜻蜓出色的飛行本領(lǐng)；蒼蠅的多種特殊功能；孔雀、蝴蝶美麗的翅膀；夜間活動(dòng)型蛾（NightMoth）的眼蜂巢奇妙的構(gòu)造；蟑螂靈敏的感知能力；啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；墨魚的瞬間加速可以達(dá)到每小時(shí)20哩；蜂鳥飛行600哩旅程耗費(fèi)不到十分之一盎司的能量；荷花葉面有絕佳的抗污性(self-cleaningproperties)和撥水性(waterrepellent)；生物的骨骼構(gòu)造比鋼鐵強(qiáng)硬；………自然界生物的各種奇妙功能

生物的各種奇妙功能

給人類啟發(fā)

---仿生思維模仿生物本領(lǐng)

造出仿生材料

新興學(xué)科——仿生學(xué)（仿生材料）

人類進(jìn)化：500萬年生命進(jìn)化：約35億年→形成了最優(yōu)化的形態(tài)結(jié)構(gòu)、最有效的物質(zhì)代謝和再循環(huán)系統(tǒng)、最精確的控制和協(xié)調(diào)過程。

研究并模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、功能、原理、行為過程及相互作用等從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的科學(xué)是生物學(xué)和技術(shù)學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科

涉及生物學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)、控制論、工程學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域

仿生技術(shù)

通過對(duì)各種生物系統(tǒng)所具有的功能原理和作用機(jī)理作為生物模型進(jìn)行研究，最后實(shí)現(xiàn)新的技術(shù)設(shè)計(jì)并制造出更好的新型儀器、機(jī)械等。仿生學(xué)社會(huì)仿生學(xué)生物社會(huì)中的三個(gè)特征地域觀念有各自的活動(dòng)范圍

群體意識(shí)團(tuán)結(jié)協(xié)作的群體活動(dòng)

等級(jí)制度

麝牛意識(shí)到危險(xiǎn)來臨，

立刻圍成圓陣軍事仿生學(xué)狼群戰(zhàn)術(shù)（集群攻擊）蛙跳（蛤?。?zhàn)術(shù)

(向若干個(gè)重要目標(biāo)做跳躍進(jìn)攻）蠶食戰(zhàn)術(shù)（像餓蠶進(jìn)食那樣小口快吃，步步為營(yíng)）敲山震虎戰(zhàn)術(shù)（以打促降攻心制敵）麻雀戰(zhàn)術(shù)（四面八方以游擊戰(zhàn)消耗、迷惑、殺傷敵人）蟻海戰(zhàn)術(shù)（聚集力量）小魚吃大魚戰(zhàn)術(shù)（仿硬顎魚對(duì)付鯊魚的“鉆肚子”或“掏心”戰(zhàn)術(shù)）

運(yùn)動(dòng)仿生學(xué)太極拳運(yùn)動(dòng)：白鶴亮翅（仿善飛的白鶴展翅欲飛動(dòng)作伸舒筋骨）抱虎歸山、倒攆猴氣功“五禽戲動(dòng)功”：猛虎撲食、鹿糜奔躍、熊步蹣跚、鵬鳥展翅、猿猴攀登

少林拳

仿虎：白虎洗臉、猛虎轉(zhuǎn)身、老虎靠山、老虎彈爪、大虎抱頭、老虎擺尾、虎下山、黑虎破膽、猛虎跳澗、猛虎穿林、猛虎觀鹿、老虎張口、老虎坐樁、餓虎登山、黑虎望山、黑虎鉆木、黑虎抓心……..

仿豹：豹子出洞、豹子扣爪、豹子縮身、豹子擒羊、金豹翻身、金豹回頭

仿馬：野馬上槽、野馬奔川、野馬彈蹄、野馬分鬃

仿猴、仿猿、仿鶴、仿鷹、仿燕、仿雁

……..田徑比賽

起跑姿勢(shì)：下蹲式（仿袋鼠在跳躍前總是把腿收縮起來再跳比直立式更快）

游泳姿勢(shì)：蛙泳式（仿游泳能手青蛙）

20世紀(jì)40年代前潛水艇的沉浮系統(tǒng)的開發(fā)魚充氣的魚鰾

（裝載石塊→交替充排水浮箱→壓載水艙）（分泌或吸收氧氣）

雷達(dá)、戰(zhàn)艇偵察手段的開發(fā)蝙蝠、海豚的“回聲定位”系統(tǒng)

（噪聲測(cè)向儀→聲納系統(tǒng)）

高速飛機(jī)的開發(fā)蜻蜓翅膀上的翼眼

（在機(jī)翼前緣的遠(yuǎn)端上安放加重裝置以消除顫振）

近代仿生學(xué)的被動(dòng)進(jìn)展現(xiàn)代仿生學(xué)的誕生20世紀(jì)60年代起,仿生學(xué)“Bionics”的構(gòu)成

全美第一屆仿生學(xué)討論會(huì)的召開—標(biāo)志著仿生學(xué)的誕生

20世紀(jì)90年代起,材料仿生的真正起步(Biomimetics,Biomimicry,Bio-inspired)

仿生學(xué)領(lǐng)域的不斷拓展（人居仿生學(xué)、企業(yè)仿生學(xué)、仿生減肥等）

直接開發(fā)生物系統(tǒng)本身（鰻腦指揮機(jī)器人、飛蛾觸須探測(cè)爆炸物等）

現(xiàn)代仿生學(xué)的誕生第三節(jié)仿生材料仿生材料定義：人類受生物啟發(fā)或模仿生物的各種特性、行為、結(jié)構(gòu)等而開發(fā)的材料。

研究范圍主要包括：分子仿生、結(jié)構(gòu)（力學(xué)）仿生、行為過程和加工方法仿生、能量仿生、信息處理與控制（神經(jīng)）仿生等。

從舞毒蛾的行為--------

“仿生誘芯”的合成及應(yīng)用舞毒蛾有趣行為的觀察：

夜晚有許多雄蛾圍著有活雌蛾（殘?bào)w）的小籠不停地盤旋。舞毒蛾有趣行為的分析：

雌蛾伸出腹部的腺體，釋放求愛的化學(xué)氣味。我國(guó)科學(xué)家展開的成分仿生：

破譯雌蛾的這種化學(xué)語言（分析性引誘激素）研制出“仿生誘芯”（模仿性引誘激素的化學(xué)結(jié)構(gòu)人工合成類似有機(jī)化合物）在農(nóng)林害蟲防治預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

將其（千萬分之一微克）加入誘捕器引誘雄蛾，既殺蟲，又可預(yù)測(cè)害蟲的發(fā)生期。我國(guó)已研制成功60多種“仿生誘芯”

2．結(jié)構(gòu)仿生

結(jié)構(gòu)仿生：研究并模仿生物體大體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì)、生物體各組成部分在體內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和生物體在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)及其它結(jié)構(gòu)功能。

貝殼結(jié)構(gòu)修造大跨度薄殼建筑

股骨結(jié)構(gòu)建造立柱海豚皮膚的溝槽結(jié)構(gòu)包敷人工海豚皮于船外殼啄木鳥腦殼的海綿狀組織骨骼制備類似材料用于包裝運(yùn)輸領(lǐng)域

消除應(yīng)力集中、用最少的建材承受最大的載荷減少湍流提高航速減震5．信息處理與控制仿生

信息處理與控制仿生：研究與模擬生物體中的感覺器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及高級(jí)中樞等智能系統(tǒng)的信息處理過程。蜜蜂、螞蟻等偏振光定向本領(lǐng)制成偏光天文羅盤用于航海和航空的定向鴿子視網(wǎng)膜系統(tǒng)對(duì)外界特殊的反應(yīng)能力研制電子鴿眼用于預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)昆蟲等感覺器官的高度靈敏性制成各種傳感器和測(cè)試儀

蟑螂靈敏的感知能力從感知風(fēng)速到逃跑只需0.044秒，人類需要0.3秒尾肢可對(duì)2公分/秒的風(fēng)做出反應(yīng)可做微流速感知器信息處理與控制仿生研究特點(diǎn)

對(duì)生物神經(jīng)系統(tǒng)和感覺器官的仿生居多(80%)最廣泛地運(yùn)用類比、模擬和模型方法生物原型-----基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型-----橋梁硬件模型-----目的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外不斷在加強(qiáng)、深入各種微型仿生飛行器的試制（微型間諜蒼蠅）仿生視網(wǎng)膜技術(shù)裝置（含4000感光器的電子芯片）鰻腦機(jī)器人等模擬昆蟲集體行動(dòng)的計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)仿生物鋼-蜘蛛絲已從基礎(chǔ)研究發(fā)展到商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)階段

,2007國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)剛剛在起步、摸索2002年起相關(guān)研究列入863計(jì)劃前沿探索類項(xiàng)目2003年10月香山科學(xué)會(huì)議（主題：飛行和游動(dòng)的生物力學(xué)與仿生技術(shù)）

2003年12月香山科學(xué)會(huì)議（主題：仿生學(xué)的前沿和未來）2004年8月北京自然博物館舉辦《昆蟲微觀結(jié)構(gòu)與仿生》的展覽。處于起步的實(shí)驗(yàn)室階段受關(guān)注的力度還相當(dāng)不夠國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“直翅目昆蟲線粒體DNA的分子系統(tǒng)學(xué)研究”-7萬教育部基金項(xiàng)目“單拷貝核基因在昆蟲分子系統(tǒng)學(xué)上可用性的研究”-8萬國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“昆蟲G